باتری‌های آبی یون-روی (AZIBs) به‌عنوان دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی نسل بعدی مورد توجه قرار گرفته‌اند. با این حال، کاربردهای عملی این باتری‌ها به دلیل اشکالات ذاتی آن‌ها، مانند تولید غیرقابل کنترل دندریت‌های روی و واکنش‌های جانبی شدید، به‌طور قابل توجهی با مشکل مواجه شده است. به تازگی محققان نشان دادند که نانوالیاف اصلاح شده آند روی را در باتری یون-روی آبی تثبیت می‌کند.
کارایی آند باتری با نانوالیاف اصلاح شده بهبود یافت
مقاله‌ای که به تازگی در مجله ACS Sustainable Chemistry & Engineering به چاپ رسیده است، با ساخت یک آند روی قابل اعتماد از یک لایه محافظ از جنس نانوالیاف کربن رسانا می‌تواند این مشکل باتری‌های آبی یون-روی را حل کند.
باتری‌ها و سایر سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی به طور گسترده برای بسیاری از کاربردهای صنعتی در دهه گذشته مورد استفاده قرار گرفته‌اند. باتری‌های آبی یون-روی (AZIBs) به عنوان یک فناوری ذخیره انرژی جذاب در نظر گرفته می‌شوند.
با این حال، دندریت روی، واکنش تبدیل هیدروژن و پتانسیل اکسیداسیون بالای آند روی مانع از کاربردهای عملی باتری‌های آبی یون-روی می شود. فعالیت الکتروکاتالیستی آندهای فلز روی را می‌توان از طریق چندین روش افزایش داد. این روش‌ها شامل طراحی ساختارهای سه بعدی، لایه‌های رابط مصنوعی و مهندسی الکترولیت است.
در مقایسه با سطح الکترود آند لیتیوم، یک لایه محافظ سطحی روی آند روی می‌تواند با کاهش تعامل سطحی بین الکترود و الکترولیت، جلوگیری از اکسیداسیون روی و هدایت رسوب یکنواخت روی به محافظت از الکترود باتری‌های آبی یون-روی کمک کند.
لایه‌های پوششی گزارش‌شده تاکنون برای آندهای روی را می‌توان به چهار دسته تقسیم کرد: چارچوب‌های فلزی-آلی، لایه‌های پوشش معدنی، پوشش‌های پلیمری و اجزای مبتنی بر کربن مانند نانوالیاف کربن.
نانوالیاف کربنی به دلیل پایداری شیمیایی عالی، رسانایی الکتریکی بالا و سطح ویژه بزرگ (SSA) می‌توانند بارها را به طور یکنواخت پراکنده کرده و آندهای روی را در باتری‌های آبی یون-روی تنظیم کنند. یون‌های روی در باتری‌های آبی یون-روی در طول مرحله هسته‌زایی اولیه روی موادی با شبکه بلوری یکسان قرار می‌گیرند. با این حال، عملکرد ناهماهنگ شبکه، کریستالی شدن یکنواخت روی سطح نانوالیاف کربن را برای یون‌های روی بسیار دشوار می‌کند و به ناچار منجر به ایجاد دندریت می‌شود.
بسیاری از مطالعات قبلی با موفقیت نشان داده‌اند که مواد روی دوست مانند نانوذرات مس می‌توانند برای اصلاح نانوالیاف کربن برای رسوب یکنواخت یون‌های فلزی بر روی آند روی استفاده شوند. بنابراین، استفاده از نانوالیاف کربنی با مواد روی دوست با توزیع بالا از نانوذرات مس، مسیری مناسب برای جلوگیری از رشد دندریت‌های روی در AZIB است.
در این مطالعه، محققان نانوالیاف کربنی اصلاح شده با نانوذرات مس را به عنوان یک لایه پوشش محافظ برای تنظیم آندهای روی با استفاده از روش الکتروریسی مستقیم ایجاد کردند. در این کار از نانوذرات مس به دلیل بلورینگی قابل توجه به عنوان مواد روی دوست مناسب استفاده شد. لایه پوشش متخلخل نانوالیاف کربنی با سطح ویژه بالا (SSA) همراه با کاهش چگالی جریان محلی، همچنین می‌تواند پراکندگی میدان‌های الکترومغناطیسی را تغییر دهد.
ساختار بلوری نانوالیاف کربنی با استفاده از پراش‌سنج پرتو ایکس پیشرفته ارزیابی شد. خواص سطحی مواد با استفاده از طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس ارزیابی شد. باندهای جذبی با استفاده از طیف‌سنجی رامان و طیف‌سنج مادون قرمز تبدیل فوریه تعیین شدند. میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) برای تجزیه و تحلیل مورفولوژی سطح و پراکندگی عنصر نانوالیاف کربن و نانوذرات مس استفاده شد.
نتایج نشان داد که ایجاد دندریت روی با موفقیت توسط یک لایه پوشش محافظ از نانوالیاف کربن اصلاح شده با نانوذرات مس مهار شده است. علاوه بر این، محاسبات تئوری تابعی چگالی (DFT) نشان داد که مواد روی دوست نانوذرات مس دارای کارایی جذب قابل‌توجهی برای یون‌های روی هستند و آندهای روی باتری‌های آبی یون-روی را تثبیت می‌کنند.
